近3年来，东北大学RAL薄带连铸课题组与中国钢研科技集团（原北京钢铁研究总院）一起以国家自然科学基金重点项目“基于双辊薄带连铸的高品质硅钢织构控制理论与工业化技术研究（No.50734001）”、“Fe-Cr、Fe-Si系BCC钢薄带连铸成形组织性能控制机理（No.51004035）”为契机和依托，系统开展了薄带连铸无取向硅钢的应用基础研究和工业化技术开发。目前，课题组在关键原理和工艺控制上取得了一系列的研究进展，主要包括以下几方面：
1、亚快速凝固组织演变及控制
与传统工艺流程相比，由于采用薄带连铸+“一道次”热轧代替传统的板坯连铸+加热+粗轧+热精轧工艺，在凝固过程和热轧过程上存在明显差异。一方面，铸带坯具有独特的亚快速凝固组织特征；另一方面，由于铸带坯较薄，热轧加工量显著减小，冷轧加工量也明显减小。所以，无取向硅钢铸带坯的初始组织和织构类型对最终成品板的组织、织构及磁性能具有至关重要的遗传影响。为此，探索研究薄带连铸条件下无取向硅钢铸带坯初始组织、织构的形成演变原理，弄清铸带坯初始组织、织构与连铸工艺参数的对应关系，成为薄带连铸无取向硅钢亟需解决的一个关键问题。
课题组发现，在双辊连铸亚快速凝固条件下无取向硅钢铸带坯的初始组织、织构具有可控性，并在进行大量实验的基础上找到了关键的工艺控制窗口。首次在实验室条件下制备出具有不同典型组织、织构特征的原型铸带坯。该项研究解决了前人在双辊连铸硅钢初始组织、织构研究方面所存在的分歧和矛盾。通过该项研究，可以根据成品板的性能需求定制想要的初始组织形态和织构特征，为无取向硅钢的研发提供了新思路。
2、铸带坯初始组织、织构的遗传影响
对于无取向硅钢而言，理想的晶体织构类型为{001}<0vw>面织构，因为它是各向同性且难磁化方向<111>不在轧制平面内。但是，在常规生产流程条件下很难得到这种单一的面织构，人们只能在设法强化{001}<0vw>面织构的同时去弱化{111}<uvw>织构以得到较好的磁性能。
课题组在解决了铸带坯的初始组织、织构的控制问题后，深入研究了铸带坯初始组织、织构类型对后续轧制、退火过程中的组织、织构演变及磁性能的遗传影响。从磁感应强度的角度看，薄带连铸无取向硅钢铸带坯的初始组织、织构的控制目标是尽可能的获得具有{001}<0vw>面织构的柱状晶凝固组织。
3、析出物演变及控制
课题组发现，通过采用合适的化学成分设计、薄带连铸和二次冷却工艺，在铸带坯中可形成大量的粗大、长条状的AlN析出相，可有效抑制细小AlN析出相的形成。在成品退火板中，观察到粗大的AlN粒子、AlN+MnS复合粒子，尺寸大都在200nm以上。如此粗大的析出物不致于明显恶化铁芯损耗。这些结果表明，由于省去了再加热和粗轧、热连轧工序，薄带连铸技术在无取向硅钢的析出物控制方面具有显著优势。
4、再结晶组织与织构的优化控制
无取向硅钢要求具有较高的磁感应强度和较低的铁芯损耗。磁感应强度在很大程度上依赖于材料内部的再结晶织构。理想的晶体织构为{001}<0vw>面织构，而最有害的织构为{111}<uvw>织构。利用常规的生产流程制造无取向硅钢板时，在成品退火过程中，通常优先形成发达的{111}<uvw>织构，严重妨碍了{001}<0vw>织构的形成，使磁感应强度降低。在薄带连铸条件下，如上所述，可以通过控制连铸工艺获得发达的{001}<0vw>柱状晶组织的铸带坯。如何充分利用这一先天优势，优化轧制及退火工艺，获得满意的再结晶织构和高磁感应强度成为薄带连铸无取向硅钢面临的又一个问题。另一方面，如何获得均匀、粗大的再结晶组织以尽量降低铁芯损耗也是一个必须要解决的问题。
课题组经过系统、深入的研究，发现后续的轧制及退火处理对再结晶组织及织构影响很大，轧制及热处理工艺存在很大的优化空间。通过热轧、冷轧及退火工艺参数的匹配、优化，特别是通过对形变亚结构的有效控制，显著强化了{001}<0vw>再结晶织构，基本消除了有害的{111}<uvw>再结晶织构。在常规生产流程条件下，这些是无法办到的。另外，已将再结晶晶粒尺寸控制在无取向硅钢所要求的最理想水平（约150μm）。
5、磁性能的优化控制
如上所述，与常规生产工艺相比，薄带连铸无取向硅钢的再结晶组织、织构可以达到更满意的控制效果。所以，薄带连铸无取向硅钢的磁性能也有其显著特点。下图示出了在不同轧制及热处理工艺条件下0.35mm厚无取向硅钢的磁性能。课题组发现，薄带连铸制备的无取向硅钢的磁感应强度B50较之常规产品高0.04T以上，铁芯损耗则与常规产品相当。提高无取向硅钢板的磁感应强度，可使电机铁芯的激磁电流降低、铁损和铜损下降，节省电能。另外，提高磁感应强度，可提高电机的最大设计磁感应强度，缩小铁芯截面积，使铁芯体积减小、重量减轻，并节省无取向硅钢板、导线、绝缘材料和结构材料用量，因而可降低电机的总损耗和制造成本，并且有利于大电机的制造、安装和运输。常规生产流程制造的含硅量约3wt%的无取向硅钢板的磁感应强度B50仅在1.66-1.68T之间，越来越难以满足高效铁芯材料的要求。因此，薄带连铸技术在制造较高磁感无取向硅钢和节能降耗方面具有巨大的优势和潜力。
图：不同轧制及退火工艺条件下3.2%Si 无取向硅钢的磁性能
6、6.5%Si高硅钢薄板的制备及磁性能
高硅钢薄板是一种含硅约6.5%的软磁材料，具有高的磁导率、低的矫顽力、极低的铁芯损耗、近乎趋于零的磁致伸缩系数等优异性能，是制造低噪音、低铁损的高速高频电机、高频变压器、高频滤波器等的理想材料。但是，高硅钢既硬又脆，难以通过常规轧制方式进行生产。其严重的室温脆性和低的热加工性能严重制约了高硅钢在工业领域的应用。国内外一些研究机构对高硅钢的研制十分青睐，已成为当今世界材料领域的研究热点。各发达国家相继采用快速凝固法、化学气相沉积扩散法（CVD）、粉末冶金法等制备高硅钢薄板以避开其脆性。全世界目前只有JFE钢铁公司通过CVD法成功实现了高硅钢工业化生产。但是，CVD法也存在严重缺陷如能耗大、设备腐蚀严重、成本高、产量低、污染环境等。因此，用轧制法制备高硅钢薄板一直是高硅钢研发的重要方向。高硅钢的室温脆性与有序相（B2、DO3等）及粗晶组织密切相关。抑制有序结构的形成、降低有序程度、细化晶粒均可在一定程度上改善高硅钢的塑性。借助双辊薄带连铸较高的冷却速率可以获得独特的亚快速凝固组织，在后续的二次冷却阶段辅以超快速冷却可以抑制有序–无序转变，再匹配合适的轧制及热处理工艺，有望开辟一条高硅钢研发的新路。
课题组对双辊薄带连铸条件下6.5%Si高硅钢的组织演变、织构演变、有序–无序转变行为及对晶体塑性的影响规律进行了探索研究。课题组发现，通过调整薄带连铸工艺和施加合适的二次冷却工艺可以获得细小、均质的凝固组织并大幅减少有序相的形成。通过匹配合适的热轧及温轧工艺，目前已成功制备出0.35mm和0.50mm厚的6.5%Si高硅钢薄板。课题组今后将继续对6.5%Si高硅钢进行深入研究，拟采用微合金化技术、超快速冷却技术、非对称轧制技术等制备出6.5%Si高硅钢超薄带（<0.20mm），探索出一条基于薄带连铸技术的高硅钢薄板制造之路。
注：东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（简称RAL），其前身是东北工学院轧钢实验室，1991年获批立项建设，1995年通过国家验收，成为中国轧制技术及其自动化领域唯一的国家重点实验室。
收稿时间：2013年1月
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